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高功率微波源用阴极材料研究

钟文丽  
【摘要】: 本论文以高功率微波课题研究为背景,主要承担高功率微波源用阴极材料部分的研究任务。重频、长脉冲阴极材料技术是高功率微波实用系统研制的一项关键技术,研制重频、长脉冲阴极是高功率微波技术发展的迫切需求。本文以寻找发射电流密度高、阴极等离子体运动速度小、能实现长脉冲和重复频率运行的长寿命阴极材料为目标,对高功率微波源用阴极材料展开研究。 本文首先根据二极管阴极理想的发射特性选取了天鹅绒、石墨、金属-陶瓷、碳纤维、铁电体等五种阴极材料体系作为实验对象,然后根据电子发射实验装置的要求设计了薄片状阴极,根据高功率微波的需要设计了柱状和环形阴极,并且选择了合适的材料成型工艺对各种阴极材料进行了制备。在此基础上重点对阴极材料的电子发射性能进行了研究:自行设计并搭建了小型的阴极电子发射测试系统,掌握了阴极实验研究的核心技术;而后通过对天鹅绒阴极、石墨阴极、铁电阴极的对比实验,结合电子发射波形和发射前后微观形貌的扫描电镜分析,对各种阴极的电子发射特性及机理进行了理论分析,并且结合各种阴极材料的特性对它们的电子发射特性进行了分析总结,为阴极在高功率微波系统中的应用奠定了一定的基础。最后,在SPARK-04和TORCH-01高功率微波平台上对阴极材料的长脉冲和重复频率运行实验情况进行了研究,根据实验结果总结和分析了阴极的发射特性和微波输出特性。论文得到的主要结论如下: (1)天鹅绒阴极发射的启动机制是表面闪络和尖端场增强共同作用的结果。天鹅绒阴极发射基本特性为:启动时间短、发射电流束流密度大、容易形成大面积均匀的电子束、等离子体膨胀速度小、但发射过程中放气率较高。微波输出特性为:单次发射时,微波功率和脉宽基本都能达到最佳值,但随着实验次数的增加,其性能下降很快,寿命较短。 (2)石墨阴极的发射机制是场致爆炸电子发射机制。石墨阴极优点是放气少、寿命长、高电导率、高熔点、高升华温度;缺点是发射阈值较高、启动慢、等离子体闭合速度快、发射不均匀等。它的微波输出特性为:输出微波功率小,脉冲宽度窄,但重复频率运行较为稳定、使用寿命较长。 (3)金属—陶瓷阴极电子发射不均匀导致实验中没有明显微波输出。但金属-陶瓷阴极具有和天鹅绒阴极相近的发射能力,且实验所体现出来的放气率低、运行寿命长以及良好的重复频率运行能力等特性,表明其具有较好的重频、长脉冲运行工作发展潜力。 (4)碳纤维阴极的发射机制综合了尖端的爆炸电子发射和侧面的表面闪络发射机制。碳纤维阴极在电子发射性能方面具有很多优点:电子发射延迟时间短、启动快、发射阈值低;等离子体膨胀速度慢;电子发射均匀性好、可重复性好;出气率低、寿命长。 (5)高压下铁电阴极的电子发射属于表面等离子致爆炸发射;铁电阴极电子发射重复性好、寿命长、出气率低、对真空环境要求不高;但铁电阴极的电子发射能力相对较弱,而且阴极启动时间较长,具有较大的等离子体膨胀速度。


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